(57)【要約】【課題】粒径の大きい金属パウダーを用いても従来より平滑な表面をもった造形物を製作可能な電子ビーム造形装置を提供する。【解決手段】溶融ステップ（一次溶融）の後に、溶融体１４の上面が集束点６１に位置するように、エレベータにてベースプレイトをＨ１だけ上昇させて、該ベースプレイト上の溶融体に電子ビームを走査して該溶融体を再溶融（二次溶融）することにより、電子ビームの集束点を調整することなく、一次溶融と同一の集束径で電子ビームによる二次溶融を行うことができるので、粒径の大きい金属パウダーを用いても従来より平滑な表面をもった造形物を製作可能となる。【選択図】図８
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空ポンプにより内部が真空にされる真空チャンバと、該真空チャンバ内に照射する電子ビームを発生するための電子ビーム発生部と、該電子ビーム発生部にて発生された電子ビームを集束するためのフォーカスコイルと、該フォーカスコイルにて集束された電子ビームを偏向して任意の位置に走査するための偏向コイルと、造形物を造形するための金属パウダーを貯留するパウダーコンテナと、上面が前記真空チャンバ内に露出し該上面に前記パウダーコンテナから前記金属パウダーが供給されるベースプレイトと、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを掻き均すためのレイキと、前記ベースプレイトを昇降させるためのエレベータと、を含み、
前記ベースプレイトの上面が前記電子ビームの集束点から前記金属パウダーの粒径だけ下方に位置するように、前記エレベータにて該ベースプレイトを下降させる下降ステップと、前記パウダーコンテナから前記ベースプレイト上に前記金属パウダーを供給する供給ステップと、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを前記レイキにて掻き均す掻き均しステップと、前記ベースプレイト上で掻き均された前記金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを予備加熱する予備加熱ステップと、前記造形物の三次元ＣＡＤデータを所定の厚みにスライスした層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上で予備加熱された金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを溶融する溶融ステップと、を繰り返す造形処理を行うことにより、前記ベースプレイト上で前記金属パウダーの溶融体の層を積み重ねて前記造形物を造形する電子ビーム造形装置であって、
前記造形処理は、前記溶融ステップの後に、前記溶融体の上面が前記集束点に位置するように、前記エレベータにて前記ベースプレイトを上昇させる上昇ステップと、前記層別二次元データに基づいて、該ベースプレイト上の溶融体に前記電子ビームを走査して該溶融体を溶融する再溶融ステップと、をさらに含むことを特徴とする電子ビーム造形装置。
【請求項２】
真空ポンプにより内部が真空にされる真空チャンバと、該真空チャンバ内に照射する電子ビームを発生するための電子ビーム発生部と、該電子ビーム発生部にて発生された電子ビームを集束するためのフォーカスコイルと、該フォーカスコイルにて集束された電子ビームを偏向して任意の位置に走査するための偏向コイルと、造形物を造形するための金属パウダーを貯留するパウダーコンテナと、上面が前記真空チャンバ内に露出し該上面に前記パウダーコンテナから前記金属パウダーが供給されるベースプレイトと、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを掻き均すためのレイキと、前記ベースプレイトを昇降させるためのエレベータと、を含み、
前記ベースプレイトの上面が前記電子ビームの集束点から前記金属パウダーの粒径だけ下方に位置するように、前記エレベータにて該ベースプレイトを下降させる下降ステップと、前記パウダーコンテナから前記ベースプレイト上に前記金属パウダーを供給する供給ステップと、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを前記レイキにて掻き均す掻き均しステップと、前記ベースプレイト上で掻き均された前記金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを予備加熱する予備加熱ステップと、前記造形物の三次元ＣＡＤデータを所定の厚みにスライスした層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上で予備加熱された金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを溶融する溶融ステップと、を繰り返す造形処理を行うことにより、前記ベースプレイト上で前記金属パウダーの溶融体の層を積み重ねて前記造形物を造形する電子ビーム造形装置であって、
前記造形処理は、前記溶融ステップの後に、前記集束点が前記溶融体の上面に位置するように前記電子ビームを調整する調整ステップと、前記層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上の溶融体に前記調整された電子ビームを走査して該溶融体を溶融する再溶融ステップと、をさらに含むことを特徴とする電子ビーム造形装置。
【請求項３】
請求項２に記載した電子ビーム造形装置であって、
前記溶融ステップの後に、前記ベースプレイト上の溶融体に前記電子ビームを走査して該溶融体を予備加熱し、当該予備加熱の際に、前記電子ビームの集束径が最適になるように観測する観測ステップを行い、該観測結果に基づいて前記調整ステップを行うことを特徴とする電子ビーム造形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は３次元ＣＡＤデータを一定の厚み（ピッチ）にスライスしたデータに基づき、金属パウダーに電子ビームを照射溶融し、これを繰り返すことにより該パウダーを溶融し所望の形状の整形物を造形する電子ビーム造形装置において、造形物の表面の凹凸を小さくできる電子ビーム造形技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元造形方法は、高分子を用いた部品を鋳型や切削加工を用いずに迅速に製作する方法として、開発されたラピッドプロトタイピングと呼ばれる成型手法で、歴史的には、紫外線あるいは可視光により硬化する樹脂を用い、紫外線レーザ、可視光レーザあるいは近赤外光フラッシュランプを用い、３次元ＣＡＤデータを層別し各層毎に成型を繰り返し積層する方法である光造形法が端緒である。
【０００３】
その後、光硬化樹脂に代わり、プラスチックをレーザで焼結する粉末積層法が開発された。この方法の応用として、鋳物砂や金属粉に樹脂をコーティングし溶融焼結することで、無機材料や金属製部品の製作も可能となったが、その機械的強度は金属加工で得られる物と比べて極めて弱く使用範囲が限られている。
【０００４】
これを解決するために、レーザで金属を溶融させて三次元造形する金属造形法が開発された。これはレーザの利点を生かし大気中での成型が可能である反面、不純物（酸化物）の混入を避けられないという課題を有している。
【０００５】
このような背景で開発されたのが、電子ビームを用いる三次元造形法であり、真空中での造形のため不純物の混入を防ぎ、レーザに比べてエネルギー効率の高さから積層金属の金属特性が鍛造製品の特性に近く、組成に酸化物も少なく、また高融点金属あるいは難溶接金属の造形も可能となった。
【０００６】
非特許文献１は本特許が適用される電子ビーム造形装置の概要を述べたものであり、文中には、「本装置は３ＤＣＡＤにより設計されたデータに基づきチタン部品を製作します。真空チャンバ内で平均１００ミクロン程度の厚さでチタンパウダーを撒きます。この後電子ビームが必要な箇所をスキャン照射します。電子ビームが照射されたチタンパウダーは溶解し薄いチタン層になります。この薄いチタン層を縦方向に積み重ねて造形します。電子ビームは焦点深度が深いため、チタン層間は完全に融合しています。」と記載されているが、溶融表面を平滑にする手段についてはなんら触れられていない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】赤野恒夫、「チタンの新しい加工装置の紹介」、チタン、vol.56、No４(2008)、P49の左欄17行目から24行目。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように多くの三次元造形方法の中で優れている電子ビーム造形技術においても、なお、優位点を活かすための問題点解決の必要性がある。
【０００９】
第１の問題点は、生成物の表面粗さが粒径と同程度であり、微小部品や平滑を要求するような用途には適していないことである。これは、電子ビーム造形装置で用いられる金属パウダーの粒径が大きく、さらにこの粒径に合致したステップで造形物が搭載されたエレベータを下降させることにより生成される造形物の面の凹凸が、パウダーの粒径程度に粗くなるという問題を持っている。この問題点を解決するために、単純にエレベータの下降ステップを細かくした場合には、溶融表面が基準レベルより高い位置になり、次の工程であるパウダー供給とレイキ動作ができなくなるという問題が発生する。
【００１０】
第２の問題点は、第１の工程で金属パウダーを電子ビームで溶融した後、第２の工程として第１の工程と同じ位置に電子ビームを照射し溶融表面を平滑化して問題を解決しようとして電子ビームを同じ焦点位置で照射した場合には、電子ビームの集束スポット径が大きくなり、その位置での電子ビームの集束密度が低下し金属表面を適温にできないという問題がある。
【００１１】
第３の問題点は、造形物の精細度が金属パウダーの粒径の数倍を限界としていることである。金属パウダーの粒径が微小になればなる程粉塵爆発の危険性が増すことはよく知られている。そのため、電子ビーム造形装置では微小金属パウダーの使用を禁じ粉塵爆発の危険性の低い粒径の金属パウダーを使用している。このため、造形物の精細度が数百ミクロンとなり、微細な部品の製作には適しないという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような背景のもとになされたものであり、その目的は、粒径の大きい金属パウダーを用いても従来より平滑な表面をもった造形物を製作可能な電子ビーム造形装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は前記課題を解決するため、次のような手段を採る。なお後述する発明を実施するための形態の説明及び図面で使用した符号を参考のために括弧書きで付記するが、本発明の構成要素は該付記したものには限定されない。
【００１４】
まず本発明に係る電子ビーム造形装置は、
真空ポンプにより内部が真空にされる真空チャンバ（７）と、該真空チャンバ内に照射する電子ビーム（６）を発生するための電子ビーム発生部（フィラメント１，グリッドカップ２，アノード３）と、該電子ビーム発生部にて発生された電子ビームを集束するためのフォーカスコイル（４）と、該フォーカスコイルにて集束された電子ビームを偏向して任意の位置に走査するための偏向コイル（５）と、造形物を造形するための金属パウダー（１１）を貯留するパウダーコンテナ（９）と、上面が前記真空チャンバ内に露出し該上面に前記パウダーコンテナから前記金属パウダーが供給されるベースプレイト（１５）と、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを掻き均すためのレイキ（１０）と、前記ベースプレイトを昇降させるためのエレベータ（８）と、を含み、
前記ベースプレイトの上面が前記電子ビームの集束点（６１）から前記金属パウダーの粒径だけ下方に位置するように、前記エレベータにて該ベースプレイトを下降させる下降ステップと、前記パウダーコンテナから前記ベースプレイト上に前記金属パウダーを供給する供給ステップと、該ベースプレイト上に供給された前記金属パウダーを前記レイキにて掻き均す掻き均しステップと（以上、図３）、前記ベースプレイト上で掻き均された前記金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを予備加熱する予備加熱ステップと（図４）、前記造形物の三次元ＣＡＤデータを所定の厚みにスライスした層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上で予備加熱された金属パウダーに前記電子ビームを走査して該金属パウダーを溶融する溶融ステップと（図６）、を繰り返す造形処理を行うことにより、前記ベースプレイト上で前記金属パウダーの溶融体（１４）の層を積み重ねて前記造形物を造形することを前提とする（図５）。
【００１５】
そして請求項１に係る電子ビーム造形装置は、
前記造形処理が、前記溶融ステップの後に、前記溶融体（１４）の上面が前記集束点（６１）に位置するように、前記エレベータにて前記ベースプレイトを（Ｈ１だけ）上昇させる上昇ステップと（図８）、前記層別二次元データに基づいて、該ベースプレイト上の溶融体に前記電子ビーム（６）を走査して該溶融体を溶融する（再溶融体１４１とする）再溶融ステップと（図８〜図９）、をさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
また請求項２に係る電子ビーム造形装置は、
前記造形処理が、前記溶融ステップの後に、前記集束点（６１）が前記溶融体（１４１）の上面に位置するように（即ち集束点６１がテーブル１２の面からＨ１だけ下方に位置するように）前記電子ビーム（６）を調整する調整ステップと、前記層別二次元データに基づいて、前記ベースプレイト上の溶融体に前記調整された電子ビームを走査して該溶融体を溶融する再溶融ステップと（以上、図１０）、をさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
さらに請求項３に係る電子ビーム造形装置は、請求項２に記載した電子ビーム造形装置であって、
前記溶融ステップの後に、前記ベースプレイト上の溶融体に前記電子ビームを走査して該溶融体を予備加熱し、当該予備加熱の際に、前記電子ビームの集束径が最適になるように観測する観測ステップを行い（図１１：スポットサイズと輝度を観測する）、該観測結果に基づいて前記調整ステップを行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
請求項１に係る電子ビーム造形装置によれば、溶融ステップ（一次溶融）の後に、溶融体の上面が集束点に位置するように、エレベータにてベースプレイトを上昇させて、該ベースプレイト上の溶融体に電子ビームを走査して該溶融体を再溶融（二次溶融）することにより、電子ビームの集束点を調整することなく、一次溶融と同一の集束径で電子ビームによる二次溶融を行うことができるので、粒径の大きい金属パウダーを用いても従来より平滑な表面をもった造形物を製作可能となる。
【００１９】
また請求項２に係る電子ビーム造形装置によれば、溶融ステップ（一次溶融）の後に、集束点が溶融体の上面に位置するように電子ビームを調整し、ベースプレイト上の溶融体に該調整された電子ビームを走査して該溶融体を再溶融（二次溶融）することにより、エレベータでベースプレイトを上昇させることなく、一次溶融と同一の集束径で電子ビームによる二次溶融を行うことができるので、粒径の大きい金属パウダーを用いても従来より平滑な表面をもった造形物を製作可能となる。
【００２０】
さらに請求項３に係る電子ビーム造形装置によれば、一次溶融の後、二次溶融の前に、ベースプレイト上の溶融体に電子ビームを走査して該溶融体を予備加熱し、当該予備加熱の際に、電子ビームの集束径が最適になるように観測して（例えばスポットサイズと輝度を観測して）、該観測結果に基づいて、集束点が溶融体の上面に位置するように電子ビームを調整するので、電子ビームの最適な集束点を調整により求めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は現在使われている電子ビーム造形装置の構成を示す図である。
【図２】図２はテーブル１２とエレベータ８付近を拡大した模式図であって、予備加熱を説明する図である。
【図３】図３はパウダーコンテナ９からパウダー１１を供給しレイキ１０で均した状態を示す図である。
【図４】図４はベースプレイト１５上のパウダー１４への電子ビーム６の照射している状態を示す図である。
【図５】図５はベースプレイト１５上にパウダーの溶融体１４があり、その上に供給されたパウダー１１がレイキ１０で均された状態にあることを示す図である。
【図６】図６（ａ）はパウダー１１上を電子ビーム６が走査している模式図であり、図６（ｂ）はパウダー１１が溶融され溶融体１４１になった状態を示す図である。
【図７】図７は再溶融する場合において電子ビーム６の集束点を変更しない場合の集束点６１と溶融体１４の位置関係を示す図である。
【図８】図８は図７の問題点を解消するための方策を示す図である。
【図９】図９は改善された平滑な表面を持つ再溶融体１４１とテーブル１２の関係を示す図である。
【図１０】図１０は溶融体１４を再溶融する際にエレベータを上昇させずに行う例を示す図である。
【図１１】図１１は電子ビームの集束点６１を求めるための一つの例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１は三次元ＣＡＤデータをスライスしてきりだされた層別ニ次元データに沿って電子ビームで金属パウダーを溶融し、直接ＣＡＤデータから三次元金属モデルを製作する電子ビーム造形装置の構造を示すものである。図１で、真空ポンプ（図示外）により真空にされた真空チャンバ７に設置された電子銃のフィラメント１に電流を流すとここから電子ビーム６が発生し、グリッドカップ２とアノード３で加速され前方（図では下方）に放射される。電子ビーム６は伝播とともに拡がりを持ちフォーカスコイル４に電流を流すことによって得られる電子レンズの働きで電子ビーム６は前方に集束する。次に、偏向コイル５に鋸歯状波的な電流を流して電子ビーム６を偏向させることにより、電子ビーム６を任意の位置への照射あるいは走査することができる。真空チャンバ７にはパウダーコンテナ９とエレベータ８を持つテーブル１２と金属パウダー（以下、単に「パウダー」と称する。）１１を均すレイキ１０が設置されている。エレベータ８は定められた量で移動するようになっている。パウダーコンテナ９は一定量のパウダー１１を供給しこれをレイキ１０が加工面でのパウダー１１が均一になるよう均す。その状態で電子ビーム６がフォーカスコイル４と偏向コイル５によりパウダー１１面上に集束、走査され、パウダー１１を溶融する。この状況は図２以降で詳細に述べる。
【００２３】
ここで用いられるパウダー１１は、例えば材質がチタンであり、粒径が４０〜１００μｍ（即ち平均粒径７０μｍ）であるが、材質はチタン・アルミニウム・バナジウム合金、コバルト・クロム合金等でも良く、平均粒径は２５〜８０μｍでも良い。
【００２４】
図２はテーブル１２とエレベータ８付近を拡大した模式図である。図でエレベータ８の上にベースプレイト１５が載っており、このベースプレイト１５上の全面に電子ビーム６を走査・照射により予備加熱してベースプレイト１５の温度を上昇させる。
【００２５】
図３では、図２のプロセスを実施後、エレベータ８を０．１ｍｍ降下させた後、図１のパウダーコンテナ９からパウダー１１を供給しレイキ１０で均した状態を示す。
【００２６】
図４はベースプレイト１５上のパウダー１４への電子ビーム６の照射している状態を示している。電子ビーム６はその集束点６１がパウダー１４の上面にくるように調整されている。電子ビーム６は初めに全面亘って走査されパウダーを予備加熱した後、造形物の三次元ＣＡＤデータを所定の厚みにスライスした層別二次元データに基づいき必要箇所を溶融する。
【００２７】
図５は図３と図４を繰り返した後の状態を示しており、ベースプレイト１５上には繰り返された回数に相当する溶融されたパウダーの溶融体１４があり、その上に供給されたパウダー１１がレイキ１０で均された状態にあることを示している。
【００２８】
図６（ａ）はパウダー１１上を電子ビーム６が照射している模式図で、溶融体１４上に溶融前のパウダー１１がのっている。図６（ｂ）はパウダー１１が溶融され溶融体１４になった状態を示している。金属が溶融し液状になるときパウダー１１の隙間を埋めるため、溶融体１４の嵩は低くなることを示している。
【００２９】
通常のプロセスでは、図６（ｂ）の状態でエレベータを一定量降下させた後、パウダーコンテナ９からパウダー１１を供給、レイキ１０による均しを得て、図５の状態に戻る。この繰り返しが従来のプロセスである。このプロセスでは溶融体１４の表面の粗さはパウダー１１の粒子の凹凸を完全には平滑にすることは困難である。  
【００３０】
本発明では、図６（ａ）（ｂ）での通常プロセスの後に、溶融体１４に電子ビームを照射、溶融し溶融体１４の表面を平滑にしようとするものであるが、図７に示すようにテーブル１２面から距離Ｈ１下にある溶融体１４面に電子ビーム６を照射した場合には、電子ビーム６の集束点６１は溶融体１４の表面より距離がほぼＨ１高いところにあり溶融体１４の表面の電子ビーム６の径６２は集束径６１より太くなるため、十分な溶融効果が得られないばかりか、却って表面の凹凸を大きくすることがある。
【００３１】
図８は、上記の欠点を解消するための方策を示す図で、一回目の照射、溶融プロセスの後に、エレベータ８を距離Ｈ１上昇させ溶融体１４の表面を電子ビーム６の集束点６１に合わせた後、電子ビーム６の照射し、溶融体１４を効果的に再溶融する。
【００３２】
図９はこのようにして得られた改善された平滑な表面を持つ再溶融体１４１とテーブル１２の関係を示している。
従来のパウダー供給の層の厚さをＤとすると、従来の溶融体の各層の厚さｄは次式で表わされる。  ｄ＝Ｄ−Ｈ１  
これに対して、本発明によるプロセスによれば、各層の厚さは、ｄ＝Ｄ−（Ｈ１＋Ｈ２）となり、より精細になっていることが分かる。これは３次元モデルの表面だけでなく側面もより滑らかになることを示している。
【００３３】
図１０に示すように、溶融体１４を再溶融させるため、電子ビーム６の集束点６１をテーブル１２面より距離Ｈ１下に結ばせることも、本発明の効果を実現する方法として有効である。この場合、再溶融後の溶融体１４１の面とテーブル１２面との距離ｄは次式で表わされる。即ち、  ｄ＝Ｈ１＋Ｈ２  
この方法として、Ｈ１長い集束長が得られるようフォーカスコイル４への電流供給を制御することにより可能である。
また、この場合には、次の層のためのエレーベータ８の下降量はＨ２分減じることが必要である。
【００３４】
図１１は、図１０において電子ビームの集束点６１を求めるための一つの例を示すグラフであって、電子ビーム６のスポットサイズと電子ビーム照射による溶融点の温度の関係を示している。熔融点の温度は市販されている赤外線サーモグラフィで観測される。ここで、電子ビーム６の照射による溶融点の相対輝度は、照射点をほぼ中心とした点対象を示す。スポットサイズは相対輝度が溶融点の最高輝度の２分の１になる等高線の直径と定義する。
【符号の説明】
【００３５】
１…フィラメント
２…グリッドカップ
３…アノード
４…フォーカスコイル
５…偏向コイル
６…電子ビーム
７…真空チャンバ
８…エレベータ
９…パウダーコンテナ
１０…レイキ
１１…パウダー
１２…テーブル
１４…溶融体
１５…プレート
６１…（電子ビームの）集束点
６２…（溶融体上での電子ビームの）スポットサイズ
１４１…再溶融体
Ｈ１…溶融体１４とテーブル１２面の高低差
Ｈ２…再溶融体１４１とテーブル１２面の高低差
【図１】
2010255057.tif 000003
【図２】
2010255057.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2010255057.tif 000010
【図９】
2010255057.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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